Гидравлический расчет полузапруд

⇐ ПредыдущаяСтр 36 из 41Следующая ⇒

При проектировании полузапруд на судоходных реках необходимо знать следующие их размеры: длину, высоту, продольный уклон гребня, угол наклона сооружений к направлению течения, расстояние между полузапрудами, заложение откосов, длину крепления и некоторые другие элементы. Обычно расчетом определяются длина сооружения, его высота и расстояние между полузапрудами. Остальные параметры устанавливаются с использованием имеющихся практических рекомендаций.

В основу методики расчета полузапруд положены данные лабораторных исследований, выполненных в ЛИВТе [Селезнев, 1957]. Главным результатом этих исследований следует считать получение экспериментального графика K_сл= f( m, K_св) при различных расстояниях между полузапрудами.

Основным показателем, характеризующим работу затопленных полузапруд по перераспределению расхода воды по ширине русла (рис. 4.16), является отношение расхода воды в пределах выправительной трассы при наличии полузапруд Qсв к величине расхода воды в бытовом состоянии Qсв.б в виде K_св= Q_св/Q_св.б³1.

Степень затопления полузапруды характеризуется параметром. K_сл= w_сл/ w_п.Он представляет собой отношение площади переливающегося через гребень слоя воды w_сл к части площади поперечного сечения потока, занимаемой полузапрудой w_п.

Степень стеснения потока полузапрудой m= w_п/ w_г определяется отношением части площади поперечного сечения, занимаемого полузапрудой wп, к полной площади поперечного сечения потока при уровне воды, совпадающем с отметкой гребня сооружения w_г.

При определении элементов сплошной полузапруды принята следующая последовательность вычислений.

Рис. 4.16. Расчетный поперечный профиль русла

и интегральная кривая расхода в створе полузапруды

Предварительно находится значение руслоформирующего расхода воды Q_р и соответствующего ему расчетного уровня воды Z_р, а также ширина и радиус кривизны трассы. Затем на плане затруднительного участка наносится положение выправительной трассы и намечается предварительное расположение полузапруд. Таким образом, определяется длина сооружений.

В створе каждой полузапруды строится интегральная кривая распределения расхода воды при расчетном уровне и устанавливается расход воды Q_св.б, проходящий в границах выправительной трассы в бытовом состоянии, а также площадь этой части поперечного сечения w_св.

Потребный расход воды в пределах выправительной трассы Q_св, необходимый для обеспечения размыва дна на судовом ходу, находится как Q_св=w_св·V_р. Здесь V_р – расчетная скорость в пределах выправительной трассы. Выражение для расчетной скорости имеет вид

, (4.36)

где: V_разм = 1.3·V_нр – размывающая скорость;

V_нр – неразмывающая (по В.Н. Гончарову) скорость течения;

K_зап = 1.2¸1.4 – коэффициент запаса, учитывающий возможность образования самоотмостки дна.

Расчеты каждой полузапруды выполняются для трех значений отметки гребня сооружения, назначаемых в пределах от проектного до расчетного уровней воды. По результатам вычислений на одном графике (см. рис. 4.17) строятся кривые зависимостей K_сл= f₁( Z_г), m= f₂( Z_г), и K_сл= f₃( m). По этому графику определяются искомые значения K_сл, m и расчетная отметка гребня полузапруды Z_гр.

Рис 4.17. Графическое определение отметки гребня полузапруды

Далее, с учетом особенностей перекатного участка, полученные значения отметок гребней полузапруд уточняются в целом для всей системы сооружений.

Характер работы в потоке сквозной свайной полузапруды отличается от работы глухого сооружения тем, что в этом случае часть расхода воды пропускается в пределах ее застроенной части. Для учета данного эффекта в работе [Жирнова, 2000] были проведены экспериментальные исследования в гидравлическом лотке и разработаны расчетные рекомендации. Методика расчета сквозных сооружений заключается в следующем.

Первоначально, исходя из условий пропуска весеннего ледохода, определяется допустимая отметка гребня свайного сооружения и его высота. Отсюда находится отношение h_с/ h, характеризующее степень затопления полузапруды.

Если h_с£h, то сооружение будет затопленным при расчетном уровне воды. И, соответственно, при h_с³h, дальнейшие расчеты выполняются для случая незатопленной полузапруды. Далее вычисляется коэффициент стеснения русла полузапрудой, m и находятся значения расходов воды Q_св.б и Q_св в границах выправительной трассы.

Основной показатель работы сквозной полузапруды по перераспределению расхода воды по ширине русла K_св в данном случае вычисляется по формуле

, (4.37)

где: p= d/( d+ s) – коэффициент застройки свайной полузапруды (d – диаметр свай,
s – расстояние в свету между ними);

a=1.0–13.3·(1-m)/3.13⁽^h^с/^h⁾ – эмпирический показатель.

Расчетная зависимость (4.37) считается справедливой для начального момента работы полузапруды в потоке. Границы ее применимости, в пределах которых получаются надежные результаты, составляют:

- степень стеснения потока m 0.60;

- коэффициент застройки сооружения р 0.80;

- ограничений по высоте сооружения нет.

В том случае, если при максимальном значении коэффициента застройки полузапруды p=0.8 не удается получить необходимую степень перераспределения расхода воды в пользу выправительной трассы K_св, то следует запроектировать глухое непроницаемое сооружение и определить его высоту по вышеописанной методике.

При проектировании расположения полузапруд на перекатном участке расстояние между ними принимается равным критическому значению

, (4.38)

где: m – коэффициент, зависящий от степени стеснения потока полузапрудами. Его величина определяется на основе теории турбулентных струй
И.М. Коновалова;

l_п – длина проекции полузапруды на плоскость живого сечения.

Практика возведения полузапруд меженного действия показала, что положительные результаты выправления русла достигаются при расположении полузапруд на прямолинейных участках на расстоянии, имеющем порядок S=(2 ¸3) · l_п. На вогнутом берегу расстояние между сооружениями следует уменьшать до S=(1 ¸2) · l_п; на выпуклом, наоборот, его допускается увеличивать до S=(3 ¸4) · l_п. В этих случаях кривая растекания транзитного потока не заходит в межполузапрудные пространства, а лишь касается голов нижерасположенных сооружений.

Имеются также и другие расчетные рекомендации [Дегтярев, 1970] для определения расстояния между полузапрудами.

Гидравлический расчет запруд

Запруды на судоходных реках возводятся во второстепенных рукавах и предназначены, в основном, для перераспределения расхода воды в пользу судоходного рукава. В большинстве случаев они являются сооружениями меженного действия. Наиболее заметным влияние запруд на гидравлику потока и условия транспорта наносов на улучшаемом участке становится в конце спада половодья и в меженный период времени. Увеличение расхода воды в судоходном рукаве приводит к размыву расположенных в нем гребней перекатов и углублению судового хода.

Основные размеры запруд, в частности их высота и длина крепления дна ниже сооружений, обычно определяются для случая их работы в меженный период времени. Поэтому за расчетный принимается среднемеженный уровень воды, и, соответствующий ему расход воды на затруднительном участке.

Первоначально анализируется вопрос о необходимости возведения запруды на участке. Для этого вычисляется величина проектного расхода воды Q_с.п в судоходном рукаве, необходимого для обеспечения размыва перекатов. Проектный расход находится по формуле

, (4.39)

где: w_прк – площадь поперечного сечения на гребне переката;

V_р – расчетная скорость течения, необходимая для размыва дна в судоходном рукаве (формула (4.36).

Далее, полученное значение проектного расхода воды Q_с.п сравнивается с бытовым расходом Q_с.б в судоходном рукаве. При этом возможны три случая:

– запруда не нужна;

– нужна запруда меженного действия;

– нужна запруда весеннего действия.

Наиболее часто на практике встречается второй случай, когда имеется необходимость возведения запруды меженного действия. Такая запруда обычно работает в затопленном состоянии как водослив, через который происходит перелив воды из верхнего бьефа в нижний.

Определение высоты запруды начинается с расчета отметок свободной поверхности в рукавах при бытовом и проектном расходах воды. Расчеты обычно выполняются графически по способу Н.Н. Павловского, применение которого дается в соответствующих практических рекомендациях и руководствах [Руководство…,1992]. В результате вычислений находятся отметки уровней воды в верхнем и нижнем бьефах запруды. Отсюда определяется напор на гребне запруды и отметка ее гребня. Расчетная схема к определению напора воды на запруде показана на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Схема к определению напора воды на запруде

При переливе воды через запруду может наблюдаться три стадии движения потока: короткий лоток с горизонтальным дном при малых толщинах переливающегося через запруду слоя воды; водослив с широким порогом; водослив практического профиля.

Обычно, при пропуске меженного расхода воды, запруды работают в потоке в качестве незатопленных или затопленных водосливов с широким порогом. В этом случае величина напора на запруде оказывается меньше половины ширины запруды по гребню ( H/ b_г£0.5).

С повышением отметок уровня воды растет вероятность работы запруды в затопленном состоянии в качестве водослива практического профиля. Значение напора при этом становится больше полуширины гребня запруды ( H/ b_г³0.5), а глубина на гребне превышает критическое значение h_кр, определяемое по формуле

, (4.40)

где: q – удельный расход воды на гребне запруды.

Расход воды, переливающийся через запруду, оценивается по формуле водослива

, (2.41)

где: s_п – коэффициент подтопления, зависящий от напора воды и положения уровня воды в нижнем бьефе;

m_р– коэффициент расхода, зависящий от ширины гребня и конструкции запруды;

b – ширина водослива (длина запруды);

H₀= H+ u₀²/2 g – полный напор воды на запруде с учетом скорости течения u₀ на подходе к сооружению.

Расчет величины напора воды на запруде ведется подбором. При этом значения коэффициента подтопления и коэффициента расхода устанавливаются по специальным графикам, полученным на основе экспериментальных исследований [Руководство…,1992].

Отметка гребня запруды находится отсюда как разница между отметкой уровня воды в верхнем бьефе и величиной напора на гребне запруды Z_гр= Z_в.б– H. Далее, вычитая из полученной отметки гребня отметку дна в створе сооружения, получаем высоту запруды P_з= Z_гр– Z_¶.

Длина крепления нижнего бьефа запруды зависит от режима сопряжения бьефов. В зависимости от соотношения гидравлических параметров потока, размеров и формы поперечного сечения глухой непроницаемой запруды, возможны два режима сопряжения верхнего и нижнего бьефов: поверхностный и донный (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Режимы сопряжения бьефов запруды:

а – поверхностный; б – донный

При поверхностном режиме транзитная струя, сходящая с гребня запруды, плавно расширяется по глубине потока в нижнем бьефе. За низовым откосом запруды образуется большая водоворотная область с обратной скоростью течения у дна. Длина водоворотной зоны имеет порядок L_в=6P_з. В этом случае придонная скорость течения в границах водоворотной области составляет примерно u_¶=(1/4¸1/3)u_г, где u_г – средняя скорость течения воды на гребне сооружения.

При донном режиме сопряжения бьефов транзитная струя проходит вдоль низового откоса запруды, и, постепенно расширяясь по глубине потока, следует в нижний бьеф. В этом случае придонные скорости течения в районе низового откоса оказываются сопоставимыми со скоростью течения на гребне запруды u_¶»u_г. Над транзитным потоком образуется водоворотная область с обратной поверхностной скоростью течения.

Лабораторные исследования, выполненные в ЛИВТе, показали, что на режим сопряжения влияют четыре основных фактора: поперечный профиль запруды (заложение низового откоса m_н); удельный расход воды q на гребне запруды; величина подтопления h_п; фаза гидрологического цикла – подъем или спад уровней воды. Для определения режима сопряжения бьефов по экспериментальным данным построены специальные графики. Проведенные исследования показали, что область донных режимов сокращается с уменьшением низового откоса запруды. Донный режим наименее вероятен у сооружений с вертикальным низовым откосом m_н = 0, а также в случае устройства на низовом откосе бермы – носка.

Длина крепления нижнего бьефа у низких, затопленных запруд с поверхностным режимом сопряжения, принимается равной l_кр=3Р_з. Если запруды высокие, с преобладанием донного режима, то в этом случае длина крепления принимается равной l_кр=10Р_з. В промежуточных случаях, когда встречаются оба режима сопряжения, длина крепления нижнего бьефа устанавливается равной l_кр = (5÷6) P_з.

Расчет сквозной свайной запруды в методическом плане аналогичен расчету глухого непроницаемого сооружения. Некоторые различия в вычислениях заключаются в следующем.

Основными параметрами сквозной свайной запруды являются высота сооружения и коэффициент ее застройки. От этих значений зависит, какое сопротивление потоку оказывает сквозная запруда и, следовательно, перепад на ней уровней воды D Z. Величина коэффициента сопротивления преграды z вычисляется по формуле

, (4.42)

где: u₀ – скорость течения на подходе к сооружению, м/с.

На основе экспериментальных данных в работе [Жирнова, 2000] было получено выражение, связывающее параметры сквозного свайного сооружения с коэффициентом сопротивления в виде

. (4.43)

Область возможного применения данной зависимости находится в пределах от z > 0.2 и р > 0.25, что позволяет рассчитывать и сплошные и сквозные запруды.

Аналогично, как и у полузапруд, отметка гребня запруды устанавливается исходя из условий пропуска весеннего ледохода. Отсюда находится отношение h_с / h, характеризующее степень затопления запруды. Затем по формуле (4.42) находится коэффициент сопротивления свайного сооружения z и по формуле (4.43) коэффициент его застройки.

В том случае, если сквозная свайная запруда не может обеспечить требуемое перераспределение расхода воды по рукавам, необходимо рассмотреть возможность возведения сплошной, либо двух и более сквозных запруд. Выбор окончательного варианта определяется технико-экономическим расчетом.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1067; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 31 32 33 34 353637 38 39 40 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!